DE3876392T2 - CEMENTING OF OIL AND GAS HOLES WITH THE APPLICATION OF A CONVERTED LIQUID. - Google Patents
CEMENTING OF OIL AND GAS HOLES WITH THE APPLICATION OF A CONVERTED LIQUID.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft das Zementieren von Öl- und Gasbohrlöchern mit einem in zementartigen Schlamm umgewandelten Bohrfluid, der mit einem Dispergiermittel behandelt wurde und in ausreichenden Mengen in den zu zementierenden Raurn gepumpt wird, um den gesamten Spülschlamm im wesentlichen zu ersetzen, und der ein oder mehrere Zementgrundmaterialien und andere Zusatzstoffe verwenden kann.The invention relates to the cementing of oil and gas wells with a cementitious mud-converted drilling fluid that has been treated with a dispersant and is pumped into the space to be cemented in sufficient quantities to substantially replace all of the drilling mud, and which may utilize one or more cement base materials and other additives.
Für die Füllung von Öl- und Gasbohrlöchern ist vorgeschlagen worden, das Bohrfluid oder den "Schlamm", der beim Bohren des Loches verwendet wird, in eine Zementaufschlämmung zu verwandeln, um Gehäuse oder Verrohrungen zu zementieren oder die Formation in der Nähe des Bohrlochs auf andere Weise zu stabilisieren oder zu versiegeln. Die U.S. Patente 3,168,139 von H.T. Kennedy et al., 3,499,491 von R.E. Wyant et al.; 3,557,876 von A. Tregasser, 3,887,009 von G.L. Miller et al. und 4,176,720 von William N. Wilson offenbaren Zubereitungen zum Zementieren von Bohrlöchern, die zumindest teilweise aus Bohrfluiden gebildet wurden. Das U.S. Patent 3,499,491 offenbart ein Verfahren zum Zementieren eines Rohrstücks in einem Bohrloch, bei dem ein wäßriges Bohrfluid mit einer Mischung aus hydraulischem Zement und pulverisiertem Natriumsilikatglas kombiniert wird, um einen Schlammbeton zu ergeben, der bei der Temperatur des Bohrlochs aushärtet.For oil and gas well filling, it has been proposed to convert the drilling fluid or "mud" used in drilling the hole into a cement slurry for cementing casing or tubing or otherwise stabilizing or sealing the formation near the well. U.S. Patents 3,168,139 to H.T. Kennedy et al., 3,499,491 to R.E. Wyant et al.; 3,557,876 to A. Tregasser, 3,887,009 to G.L. Miller et al., and 4,176,720 to William N. Wilson disclose compositions for cementing wells formed at least in part from drilling fluids. U.S. Patent No. 3,168,139 to H.T. Kennedy et al., 3,499,491 to R.E. Wyant et al., 3,557,876 to A. Tregasser, 3,887,009 to G.L. Miller et al., and 4,176,720 to William N. Wilson disclose compositions for cementing wells formed at least in part from drilling fluids. Patent 3,499,491 discloses a method for cementing a pipe length in a wellbore in which an aqueous drilling fluid is combined with a mixture of hydraulic cement and powdered sodium silicate glass to produce a slurry concrete that hardens at the temperature of the wellbore.
Viele Versuche nach dem Stand der Technik, ein Bohrfluid in Zementmaterialien umzuwandeln, haben bestimmte Probleme aufgeworfen, da Viskosität und Flockenbildung des Bohrfluids ansteigen, wenn das zementartige Material zugesetzt und in das Bohrloch gepumpt wird. Umgewandelte Bohrfluidzubereitungen von der Art, wie sie beispielsweise in U.S. Patent 3,499,491 vorgeschlagen werden, neigen zum Gelieren und sich besonders temperaturempfindlich. In anderen Worten, wenn die Temperaturen im Bohrloch einen vorher festgelegten Wert überschreiten, neigt die Zementzubereitung dazu, rasch fest bzw. hart zu werden. Da sich die Temperaturbedingungen in einem Bohrloch oft schwer steuern oder vorhersagen lassen, ist eine vermindert Temperaturempfindlichkeit des in Zement umgewandelten Bohrfluids besonders wünschenswert.Many prior art attempts to convert drilling fluid into cementitious materials have presented certain problems because the viscosity and flocculation of the drilling fluid increase when the cementitious material is added and pumped into the wellbore. Converted drilling fluid preparations of the type proposed, for example, in US Patent 3,499,491, tend to gel and are particularly sensitive to temperature. In other words, when temperatures in the borehole exceed a predetermined value, the cement preparation tends to solidify or harden rapidly. Since the temperature conditions in a borehole are often difficult to control or predict, a reduced temperature sensitivity of the drilling fluid converted to cement is particularly desirable.
Darüber hinaus ist bei den Verfahren und Zubereitungen nach dem Stand der Technik das Ersetzen des Bohrfluids aufgrund von Gelierung nicht vollständig und hat häufig zu schlechter Zementbindung oder einer unvollständigen Füllung des Rings zwischen Gehäuse und Bohrloch mit einem homogenen Zement geführt. In dieser Hinsicht ist die Erfindung entwickelt worden, um durch Umwandlung von Bohrfluids verbesserte Zementzubereitungen sowie ein verbessertes Verfahren zum Ersetzen von Bohrfluid aus dem Bohrloch und dem Ring zwischen Gehäuse und Bohrloch zur Verfügung zu stellen, so daß eine vollständige Füllung des zu zementierenden Raums mit einer homogenen Zementaufschlämmung erreicht wird.Furthermore, in the prior art methods and compositions, the replacement of the drilling fluid is incomplete due to gelation and has often resulted in poor cement bonding or incomplete filling of the casing-to-borehole annulus with a homogeneous cement. In this regard, the invention has been developed to provide improved cement compositions by converting drilling fluids and an improved method for replacing drilling fluid from the borehole and casing-to-borehole annulus so as to achieve complete filling of the space to be cemented with a homogeneous cement slurry.
Die Erfindung stellt eine verbessertes Verfahren zum Zementieren einer Öl- oder Gasquelle zu Verfügung, bei dem ein Bohrfluid durch Zusatz von zementartigen Materialien und einem Dispergiermittel in eine Zementaufschlämmung verwendelt und diese Zementaufschlämmung in einem Kreislauf zurückgeleitet wird, um sämtliches Bohrfluid im Bereich des Bohrlochs, das zementiert werden soll, vollständig zu ersetzen und in Zement zu verwandeln.The invention provides an improved method for cementing an oil or gas well, in which a drilling fluid is used by adding cementitious materials and a dispersant into a cement slurry and this cement slurry is recycled in a circuit to completely replace and convert into cement all drilling fluid in the area of the wellbore to be cemented.
Darüber hinaus stellt die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung von Bohrfluiden in Zementaufschlämmungen zum Zementieren von zumindest Teilen eines Bohrlochs zur Verfügung. Die verbesserte Zementaufschlämmung wird unter Verwendung eines Bohrfluids zur Verfügung gestellt, das durch Zusatz bestimmter zementartiger Materialien und eines Dispergiermittels umgewandelt wird. Dieses Dispergiermittel minimiert die Tendenz zur Flockenbildung oder Gelierung und den damit einhergehenden Viskositätsanstieg, der in der sich bildenden Bohrfluid-Zementmischung zu verzeichnen ist, sowie die Ausbildung von gelierten Gemischen im Bohrloch während des Ersetzens nicht umgewandelten Bohrfluids im zu zementierenden Bereich. Das Dispergiermittel umfaßt vorzugsweise ein sulfoniertes Styrolcopolymer mit oder ohne organische Säure.Furthermore, the invention provides an improved method for converting drilling fluids into cement slurries for cementing at least portions of a wellbore. The improved cement slurry is provided using a drilling fluid which is converted by the addition of certain cementitious materials and a dispersant. This dispersant minimizes the tendency toward flocculation or gelling and the attendant viscosity increase experienced in the resulting drilling fluid-cement mixture, as well as the formation of gelled mixtures in the borehole during the replacement of unconverted drilling fluid in the area to be cemented. The dispersant preferably comprises a sulfonated styrene copolymer with or without an organic acid.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid (SSMA), sulfoniertes Styrol-Imid (SSI), sulfonierte Styrol-Itaconsäure oder eine Kombination eines sulfonierten Styrolcopoylmers mit einer oder mehreren Verbindungen aus den Gruppen Polyacrylate, Kaliumsalze, Phosphonate und andere Co- oder Terpolymere von teilweise hydrolisierten Polyacrylamiden als Dispergiermittel verwendet und dem Bohrfluid in einer Mischung mit einem vermischten zementartigen Material zugesetzt werden, um das Fluid in eine verbesserte Zementaufschlämmung umzuwandeln.According to another aspect of the invention, sulfonated styrene-maleic anhydride (SSMA), sulfonated styrene-imide (SSI), sulfonated styrene-itaconic acid or a combination of a sulfonated styrene copolymer with one or more of the groups polyacrylates, potassium salts, phosphonates and other co- or terpolymers of partially hydrolyzed polyacrylamides can be used as a dispersant and added to the drilling fluid in a mixture with a blended cementitious material to convert the fluid into an improved cement slurry.
Beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung werden Fachleute die vorstehend aufgeführten Merkmale der Erfindung und deren andere überlegene Eigenschaften würdigen können.Upon reading the following detailed description, those skilled in the art will be able to appreciate the above-listed features of the invention and its other superior characteristics.
Die Zeichnung 1 ist ein schematisches Diagramm eines Bohrlochs und eines Fluidkreislaufsystems zum ununterbrochenen Mischen von Zement zum Zementieren des Rings zwischen Bohrloch und Gehäuse unter Verwendung von umgewandeltem Bohrfluid.Drawing 1 is a schematic diagram of a wellbore and fluid circulation system for continuously mixing cement to cement the annulus between the wellbore and casing using converted drilling fluid.
Die Zeichnung 2 ist ein schematisches Diagramm eines Zementmisch- und Kreislaufsystems, das entweder auf Chargenmischen oder auf ununterbrochenes Mischen von Zement zur Umwandlung von Bohrfluid eingestellt werden kann.Drawing 2 is a schematic diagram of a cement mixing and circulation system that can be set up for either batch mixing or continuous mixing of cement to convert drilling fluid.
Die Umwandlung von Bohrlochfluiden in Zementaufschlämmungen zum Zementieren des Rings zwischen Bohrloch und Gehäuse oder für andere Zementiermaßnahmen am Bohrloch ist aus verschiedenen Gründen attraktiv. So entfällt zum Beispiel bei mindestens einem größeren Teil des Bohrfluids das Problem der Entsorgung und die damit in Zusammenhang stehenden Vorschriften, die Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung minimiert den Umgang mit Bohrfluid und der Zementaufschlämmung, der Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung der Zementaufschlämmung wird minimiert, und die Trennung zwischen Bohrfluid und der umgewandelten zementartigen Aufschlämmung muß nicht aufrechterhalten werden, besonders wenn man das erfindungsgemäße Verfahren und die Zubereitungen in Betracht zieht.The conversion of wellbore fluids into cement slurries for cementing the wellbore-casing annulus or for other wellbore cementing operations is attractive for several reasons. For example, the problem of disposal and related regulations for at least a major portion of the drilling fluid is eliminated, the conversion of drilling fluid into a cement slurry minimizes handling of drilling fluid and cement slurry, the time and expense of preparing the cement slurry is minimized, and the separation between drilling fluid and the converted cementitious slurry does not need to be maintained, particularly when considering the process and compositions of the present invention.
Die Umwandlung von Bohrfluid oder "Schlamm" in eine Zementaufschlämmung geht nicht ohne Verfahrensproblem und unerwünschte Veränderungen in der Zubereitung vor sich. Zum Beispiel kann der Zusatz zementartiger Materialien wie Mischungen aus Kalk, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid oder aus Kalk und Magnesium, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Eisenoxid oder Zementmaterialien wie Calciumsulfat und Portland-Zement zu wäßrigen Bohrfluids die Viskosität des Fluidgemischs erheblich steigern und zu starker Flockenbildung führen. Versuche, solche Mischungen im Kreislauf durch ein Bohrloch zu leiten, können zu einer höchst unbefriedigenden Kreislaufgeschwindigkeit, Verstopfen des Bohrlochrings und zum Zusammenbruch der Erdformation in der Nähe des Bohrlochs führen bzw. dazu, daß sich die Zementaufschlämmung nicht richtig mischt. Deshalb hat man bestimmte Dispergiermittel wie Lignit und Lignosulfonate zur Verwendung in Bohrfluiden während des Bohrvorgangs entwickelt.The conversion of drilling fluid or "mud" to a cement slurry is not without process problems and undesirable changes in the formulation. For example, the addition of cementitious materials such as mixtures of lime, silica and alumina or of lime and magnesium, silica, alumina and iron oxide or cement materials such as calcium sulfate and Portland cement to aqueous drilling fluids can significantly increase the viscosity of the fluid mixture and lead to severe flocculation. Attempts to recycle such mixtures through a wellbore can result in highly unsatisfactory circulation rates, plugging of the wellbore annulus and collapse of the earth formation near the wellbore or that the cement slurry does not mix properly. Therefore, certain dispersants such as lignite and lignosulfonates have been developed for use in drilling fluids during the drilling process.
Ein Dispergiermittel, das kommerziell in Bohrfluid verwendet worden ist, ist ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer mit niedrigem Molekulargewicht und ein wasserlösliches Salz davon (manchmal als "SSMA" bekannt). Das U.S. Patent 3,730,900 von A.C. Perricone et al. beschreibt verschiedene Bohrfluide, die zur Stabilisierung der rheologischen Eigenschaften und Fließverlusteigenschaften, besonders bei hohen Temperaturen im Bohrloch und bei Anwesenheit von Fluidkontaminanten, mit einem Dispergiermittel behandelt werden. Die U.S. Patente 4,476,029 von A.O. Sy et al., 4,581,147 von Homer Branch III und 4,680,128 von R.C. Portnoy sowie die Europäische Patentschrift Nr. 0 208 536 von P. Parcevaux et al. offenbaren ebenfalls Dispergiermittel für Bohrfluide und Fluid-Spacer-Zubereitungen. Dennoch blieb trotz des Standes der Technik, wie durch die hier angeführten Veröffentlichungen belegt und der Anmelderin bekannt, das Problem, wie man ein Bohrfluid wirksam in eine geeignete Zementzubereitung umwandelt und das Bohrfluid im Bohrloch ersetzt, einschließlich eines ringförmigen Bereichs zwischen einem Gehäuse und dem Bohrloch, und zwar auf eine Weise, die eine wirksame Belegung des zu zementierenden Bereichs mit einer Zubereitung zur Verfügung stellt, die eine wirksame Bindung mit dem Wandgehäuse eingeht und/oder die Quelle oder die der Quelle benachbarte Erdformation mit einer Barriere verstopft, die stark genug ist, die Wanderung von Fluiden in unerwünschte Richtungen und/oder ein Einstürzen der Wände des Bohrlochs oder des Gehäuses zu verhindern.One dispersant that has been used commercially in drilling fluid is a low molecular weight sulfonated styrene-maleic anhydride copolymer and a water-soluble salt thereof (sometimes known as "SSMA"). U.S. Patent 3,730,900 to A.C. Perricone et al. describes various drilling fluids that are treated with a dispersant to stabilize rheological and flow loss properties, particularly at high temperatures in the wellbore and in the presence of fluid contaminants. U.S. Patents 4,476,029 to A.O. Sy et al., 4,581,147 to Homer Branch III, and 4,680,128 to R.C. Portnoy, and European Patent Specification No. 0 208 536 to P. Parcevaux et al. also disclose dispersants for drilling fluids and fluid spacer compositions. Nevertheless, despite the prior art, as evidenced by the publications cited here and known to the applicant, the problem remained of how to effectively convert a drilling fluid into a suitable cement composition and replace the drilling fluid in the wellbore, including an annular region between a casing and the wellbore, in a manner that provides effective coverage of the region to be cemented with a composition that effectively bonds with the wall casing and/or plugs the well or the earth formation adjacent to the well with a barrier strong enough to prevent migration of fluids in undesirable directions and/or collapse of the walls of the wellbore or casing.
Obwohl der Zusatz bestimmter Anteile eines sulfonierten Styrol-Copolymers oder eines ähnlichen Dispergiermittels die Tendenz zur Flockenbildung oder Gelierung des in eine Zementmischung umgewandelten Schlammes wesentlich verringert, haben Versuche, eine Zubereitung mit reduzierter Viskosität und einer geringeren Tendenz zur Gelierung und Flockenbildung zu entwickeln, darüber hinaus zu der Entdeckung geführt, daß der Zusatz bestimmter Anteile organischer Säuren wie Natriumcitrat, Citronensäure, Gluco-delta-Lacton, Weinsäure und Erythrobsäure und anderer organischer Säuren sowie langkettiger Zucker in Kombination mit dem sulfonierten Styrol- Copolymer einen synergistischen Effekt bei der Reduzierung von Flockenbildung und Viskosität des zu einer Zementmischung umgewandelten Schlamms haben. Allerdings kann der Zusatz dieser organischen Säuren auch die Aushärtungszeit der Zementaufschlämmung verzögern.Although the addition of certain amounts of a sulfonated styrene copolymer or similar dispersant substantially reduces the tendency for flocculation or gelling of the slurry converted to a cement mix, attempts to develop a formulation with reduced viscosity and less tendency for gelling and flocculation have further led to the discovery that the addition of certain amounts of organic acids such as sodium citrate, citric acid, gluco-delta-lactone, tartaric acid and erythrobic acid and other organic acids and long chain sugars in combination with the sulfonated styrene copolymer have a synergistic effect in reducing flocculation and viscosity of the slurry converted to a cement mix. However, the addition of these organic acids can also retard the setting time of the cement slurry.
Lassen Sie uns kurz die Zeichnung 1 betrachten. Dort wird ein erfindungsgemäßes System zur Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung zum Zementieren eines Wandgehäuses gezeigt, das sich in einer Erdformation 12 befindet, welche von einem Bohrloch 14 durchbohrt wird. In dem in Fig. 1 gezeigten System ist ein Gehäuse 16 vom Bohrlochkopf 18 in einen Teil der Formation getrieben worden; ein zweites Gehäuse 20 erstreckt sich in das Bohrloch und bildet einen Ring 22, der beispielsweise die Washout- und Hohlraumbereiche 24 und 26 einschließen kann. Das Gehäuse 20 reicht bis zum Bohrlochkopf 18 und ist so angelegt, daß es mit einer Pumpe 28 versehen werden kann, die Bohrfluid durch das Innere des Gehäuses 20 nach unten und durch den Ring 22 wieder nach oben zu einer Rückführleitung 30 zirkuliert. Durch die Rückführleitung 30 wird Bohrfluid zu einem Lagertank oder zu einer Grube 32 geleitet und dann während des normalen Bohrbetriebs durch eine Pumpe 33 und eine Leitung 34 wieder zurück zur Pumpe 28 geführt. Herkömmliche Anlagen zur Behandlung von Bohrfluiden wie Schieferschüttelvorrichtungen, Sandtrennvorrichtungen und verwandte Ausrüstungsteile sind im Interesse der Übersichtlichkeit nicht in den Zeichnungen 1 und 2 enthalten.Let us briefly consider Figure 1. There is shown a system according to the invention for converting drilling fluid into a cement slurry for cementing a wall casing located in an earth formation 12 which is penetrated by a borehole 14. In the system shown in Figure 1, a casing 16 has been driven from the wellhead 18 into a portion of the formation; a second casing 20 extends into the borehole and forms an annulus 22 which may, for example, enclose the washout and void regions 24 and 26. The casing 20 extends to the wellhead 18 and is adapted to be provided with a pump 28 which circulates drilling fluid down through the interior of the casing 20 and back up through the annulus 22 to a return line 30. Drilling fluid is directed through the return line 30 to a storage tank or pit 32 and then returned to the pump 28 through a pump 33 and a line 34 during normal drilling operations. Conventional For the sake of clarity, drilling fluid handling equipment such as shale shakers, sand separators and related equipment are not included in Drawings 1 and 2.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Umwandlung eines Bohrfluids in eine zementartige Aufschlämmung, die für verhältnismäßig große Zementmengen erfordernde Bohrlöcher geeignet ist, ist es, eine vorgemischte Menge von trockenen gemischten Zementmaterialien in einer geeigneten Lagervorrichtung 36 zur Verfügung zu stellen, von der sie in einen Mischapparat 38 von einem im Handel erhältlichen Typ eingeführt werden. Dort werden die trockenen Zementmaterialien mit Bohrfluid gemischt, das durch eine Leitung 39 und den Mischapparat 38 zur Pumpe 28 geleitet wird. Die Ventile 40, 41 und 42 dienen zur Steuerung des Fluidfließweges während des Umwandlungsverfahrens. Die dem Mischapparat 38 zugeführten Materialien werden hier im Hinblick auf verschiedene Beispiele zur erfindungsgemäßen Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung beschrieben. Auch eine geeignete Vorrichtung für den Zusatz von Wasser, die hier nicht gezeigt wird, sollte zur Verfügung gestellt werden. In vielen Fällen werden, was bevorzugt wird, Wasser und das Dispergiermittel dem Fluid vor den anderen Materialien zugesetzt.One method of converting a drilling fluid into a cementitious slurry suitable for wells requiring relatively large amounts of cement, according to the present invention, is to provide a premixed quantity of dry mixed cementitious materials in a suitable storage device 36 from which they are introduced into a mixer 38 of a commercially available type. There, the dry cementitious materials are mixed with drilling fluid which is passed through a line 39 and the mixer 38 to the pump 28. Valves 40, 41 and 42 serve to control the fluid flow path during the conversion process. The materials fed to the mixer 38 are described herein with respect to various examples of converting drilling fluid into a cementitious slurry according to the present invention. Suitable means for adding water, not shown here, should also be provided. In many cases, and this is preferred, water and the dispersant are added to the fluid before the other materials.
Die Zeichnung 2 zeigt ein System, das größere Flexibilität bei dem erfindungsgemäßen Mischverfahren bietet. Die Lagervorrichtung 36 gibt vorher festgelegte Mengen trockenen gemischten Zementmaterials des vorstehend beschriebenen Typs in den Mischapparat 38 ab; die Chargenmischung erfolgt in einem oder mehreren Tanks oder Gruben 44, in die Bohrfluid aus dem Tank 32 und der Pumpe 33 durch die Leitung 46 eingespeist wurde. Das Bohrfluid im Tank 44 wird durch eine Pumpe 48 und die Ventile 50 und 51 immer wieder durch den Mischapparat 38 zirkuliert, bis die richtige Mischung und Dichte erreicht ist; wenn es soweit ist, werden die Ventile 50 und 52 so eingestellt, daß die Zementaufschlämmung durch eine Leitung 54 zur Pumpe 28 geführt wird. Natürlich wird das Bohrfluid beim normalen Bohrbetrieb durch die Leitung 30, den Tank 32, die Pumpe 33 und die Leitungen 53 und 54 zur Pumpe 28 zirkuliert. Die zementartige Aufschlämmung kann durch eine Verbindungsleitung mit einem dazwischengelagerten Ventil 45 zwischen dem Bohrloch 14 und dem Tank 44 hin- und herzirkuliert werden. Das in Fig. 2 gezeigte System kann dazu verwendet werden, durch Schließen des Ventils 51 und Öffnen des Ventils 55 der Pumpe 28 ununterbrochen eine zementartige Aufschlämmung zuzuführen.Figure 2 shows a system which offers greater flexibility in the mixing process of the invention. The storage device 36 delivers predetermined quantities of dry mixed cement material of the type described above into the mixer 38; the batch mixing takes place in one or more tanks or pits 44 into which drilling fluid from the tank 32 and pump 33 has been fed through line 46. The drilling fluid in the tank 44 is pumped by a pump 48 and valves 50 and 51 is circulated through the mixer 38 over and over until the proper mix and density is achieved; when this is done, valves 50 and 52 are adjusted to direct the cement slurry through a line 54 to the pump 28. Of course, during normal drilling operations the drilling fluid will be circulated through line 30, tank 32, pump 33 and lines 53 and 54 to the pump 28. The cementitious slurry may be circulated back and forth between the wellbore 14 and the tank 44 through a connecting line having a valve 45 therebetween. The system shown in Fig. 2 may be used to continuously supply a cementitious slurry to the pump 28 by closing valve 51 and opening valve 55.
Entsprechend wird bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Systemen Bohrfluid entweder durch ununterbrochenes Mischen oder durch Chargenmischung auf einfache Weise in eine Zementaufschlämmung umgewandelt. Bestimmte hier angeführte Zementaufschlämmungszubereitungen können beispielsweise vor der Einleitung in das Bohrloch verhältnismäßig lange in mehreren Tanks 44 gelagert werden. Durch fortlaufendes Mischen oder Chargenmischung des in Zement umgewandelten Bohrfluids verbleibt, wenn überhaupt, nur eine kleine Menge Bohrfluid zur Entsorgung, und das gesamte Bohrfluid im Bohrlochring 22 wird schließlich durch eine Zementzubereitung ersetzt, die den Anforderungen an das Zementieren des Gehäuses im Bohrloch 14 an die sonstige Behandlung der Formation 12 in der gewünschten Weise genügt. In anderen Worten wird durch die Erfindung das Bohrfluid, das während des Bohrvorgangs im Bohrloch vorhanden war, überwiegend oder vollständig in eine härtbare Zementzubereitung umgewandelt, die anschließend wieder in den ringförmigen Raum im Bohrloch gepumpt wird, um ihn zu versiegeln. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Fluid zu entsorgen, was normalerweise der Fall wäre.Accordingly, in the systems shown in Figs. 1 and 2, drilling fluid is readily converted into a cement slurry by either continuous mixing or batch mixing. Certain cement slurry compositions referred to herein, for example, may be stored in a plurality of tanks 44 for a relatively long period of time prior to being introduced into the wellbore. By continuously mixing or batch mixing the cemented drilling fluid, only a small amount, if any, of drilling fluid remains for disposal and all of the drilling fluid in the wellbore annulus 22 is eventually replaced with a cement composition that meets the requirements for cementing the casing in the wellbore 14 and otherwise treating the formation 12 in the desired manner. In other words, the invention converts most or all of the drilling fluid that was present in the wellbore during the drilling operation into a hardenable cement composition which is then pumped back into the annular space in the wellbore to seal it. As a result, There is no need to dispose of the fluid, which would normally be the case.
Wie vorstehend erwähnt, können dem Fluid Wasser, das Dispergiermittel und andere Zusatzstoffe beigemischt werden, ehe trockene Materialien in großen Mengen zugesetzt werden.As mentioned above, water, the dispersant and other additives can be mixed into the fluid before dry materials are added in bulk.
Es wird angenommen, daß die verbesserte Zementzubereitung und das verbesserte Verfahren zum Zementieren einer Quelle in einer Erdformation durch die erfindungsgemäße Umwandlung des Bohrfluids mit Zubereitungen und Verfahren, die den hier beschriebenen im allgemeinen entsprechen, hergestellt bzw. durchgeführt werden kann. Bohrfluids auf Wasserbasis mit Dichten von etwa 1,08 bis 21,57 kg/l (9,0 pounds per gallon [ppg] bis 18 ppg) können in Zement umgewandelt und durch ein Bohrloch wie das Bohrloch 14 zirkuliert werden durch Zusetzen von ein bis einhundert Prozent (1 - 100 %), vorzugsweise null bis fünfzig Prozent (0 - 50 %), Wasser auf der Basis des ursprünglichen Bohrfluidvolumens zusammen mit einem Dispergiermittel, das ein sulfoniertes Styrol-Copolymer umfaßt, im Bereich von 0,0014 bis 0,0285 kg/l [0,50 bis 10,0 pounds per original barrel (Pfund pro Originalfaß) auf der Basis eines 42-Gallonen Fasses (nachstehend "ppb")] und vorzugsweise von weniger als 0,0143 kg/l (5,0 ppb). Durch Zusetzen des Dispergiermittels bei der Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung wurde eine überraschende Verbesserung beim Vermischen des Zementmaterials mit der Bohrflüssigkeit erzielt. Eine Quelle und Spezifikation des sulfonierten Stryrol- Copolymers kann eine Zusammensetzung sein, die ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (SSMA) mit niedrigem Molekulargewicht umfaßt und unter dem Handelsnamen NARLEX D-72 von der National Starch and Chemical Corporation, Bridgewater, New Jersey, erhältlich ist. Das Dispergiermittel kann mit trockenem Zementmaterial und anderen Zusatzstoffen wie hier aufgeführt vorgemischt und beispielsweise in der Lagervorrichtung 36 gelagert werden; es kann dem Bohrfluid auch beigemischt werden, während Wasser zur Verdünnung zugesetzt wird. Darüber hinaus kann das Dispergiermittel auch ausgewählte Mengen von sulfoniertem Styrol-Imid- Copolymer (z.B. das Copolymer von sulfoniertem Styrol und N-Phenylmaleimid), sulfoniertem Styrol-Itaconsäure- Copolymer oder einer Kombination von sulfoniertem Styrol- Copolymer mit einer oder mehreren Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylaten (d.h. Polymeren und Copolymeren von Estern aus Acrylsäure und Derivaten von Acrylsäure wie z.B. Methacrylsäure), teilweise hydrolysierten Co- oder Terpolymeren von Acrylamid und Kaliumsalzen sowie Phosphaten von diesen teilweise hydrolysierten Co- und Terpolymeren enthalten. Darüber hinaus wird angenommen, daß Monomere wie Maleinsäureanhydrid, Maleimid und Dimethylmaleat in Kombination mit dem ausgewählten Polymer zugesetzt werden können.It is believed that the improved cement composition and method for cementing a well in an earth formation can be made by converting the drilling fluid according to the invention with compositions and methods generally similar to those described herein. Water-based drilling fluids having densities of about 1.08 to 21.57 kg/l (9.0 pounds per gallon [ppg] to 18 ppg) can be converted to cement and circulated through a wellbore such as well 14 by adding from one to one hundred percent (1-100%), preferably zero to fifty percent (0-50%), water based on the original drilling fluid volume together with a dispersant comprising a sulfonated styrene copolymer in the range of 0.0014 to 0.0285 kg/l [0.50 to 10.0 pounds per original barrel based on a 42-gallon barrel (hereinafter "ppb")], and preferably less than 0.0143 kg/l (5.0 ppb). By adding the dispersant during the conversion of drilling fluid to a cement slurry, a surprising improvement in the mixing of the cement material with the drilling fluid has been achieved. One source and specification of the sulfonated styrene copolymer may be a composition comprising a low molecular weight sulfonated styrene-maleic anhydride copolymer (SSMA) available under the trade name NARLEX D-72 from National Starch and Chemical Corporation, Bridgewater, New Jersey. The dispersant may be premixed with dry cement material and other additives as listed herein and stored, for example, in the storage device 36; it may also be mixed into the drilling fluid while water is added for dilution. In addition, the dispersant may also contain selected amounts of sulfonated styrene-imide copolymer (e.g., the copolymer of sulfonated styrene and N-phenylmaleimide), sulfonated styrene-itaconic acid copolymer, or a combination of sulfonated styrene copolymer with one or more compounds selected from the group consisting of polyacrylates (i.e., polymers and copolymers of esters of acrylic acid and derivatives of acrylic acid such as methacrylic acid), partially hydrolyzed co- or terpolymers of acrylamide and potassium salts, and phosphates of these partially hydrolyzed co- and terpolymers. In addition, it is believed that monomers such as maleic anhydride, maleimide and dimethyl maleate can be added in combination with the selected polymer.
Gleichzeitig mit oder nach dem Zusatz des Dispergiermittels und von Wasser zur Verdünnung kann dem früheren Bohrfluid auch Portland-Zement in Konzentrationen im Bereich von 0,285 bis 1,17 kg/l (100 ppb bis 600 ppb) zugesetzt werden. Zubereitungen zur Steuerung der Hydratationsgeschwindigkeit wie Calciumsulfat können dem Bohrfluid im Bereich von 0,0285 bis 0,285 kg/l (10,0 ppb bis 100,0 ppb). Darüber hinaus können verschiedene ausgewählte Additive wie Härtungsverzögerer, Beschleuniger sowie Zusammensetzungen zur Steuerung des Fließverlusts wie anorganische Salze, Calciumaluminat, Lignosulfonate mit oder ohne organische Säuren und Polymere wie Hydroxyethylcellulose (HEC), Carboxymethylhydroxyethylcellulose (CMHEC) 2-Acrylamid-2-methylpropansulfonsäure (AMPS) und Acrylsäuren mit den anderen Materialien vorgemischt werden. Die vorstehend beschriebenen Zubereitungen können durch den Zusatz von Silikasand in der Menge von bis zu einhundert Gewichtsprozent (100 %) der Portland-Zementfraktion der Zementaufschlämmung weiter verändert werden, um die hohe Temperaturstabilität der Zubereitung zu erhöhen. Weiterhin können der Mischung andere Zementiermedien wie Calciumaluminate und das vorstehend beschriebene Calciumsulfat zugesetzt werden, um die Eindickungszeit der Aufschlämmung, die Geschwindigkeit der Festigkeitsentwicklung und die gesamte Druckfestigkeit durch Veränderung der Verhältnisse dieser Substanzen in der Mischung zu steuern.Simultaneously with or after the addition of the dispersant and water for dilution, Portland cement may also be added to the previous drilling fluid in concentrations ranging from 0.285 to 1.17 kg/l (100 ppb to 600 ppb). Hydration rate control preparations such as calcium sulfate may be added to the drilling fluid in the range of 0.0285 to 0.285 kg/l (10.0 ppb to 100.0 ppb). In addition, various selected additives such as cure retarders, accelerators as well as flow loss control compositions such as inorganic salts, calcium aluminate, lignosulfonates with or without organic acids and polymers such as hydroxyethyl cellulose (HEC), carboxymethyl hydroxyethyl cellulose (CMHEC) 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) and acrylic acids may be premixed with the other materials. The above-described formulations may be further modified by the addition of silica sand in an amount of up to one hundred percent by weight (100%) of the Portland cement fraction of the cement slurry to increase the high temperature stability of the formulation. Furthermore, other cementing media such as calcium aluminates and calcium sulfate described above may be added to the mixture to control the thickening time of the slurry, the rate of strength development and the overall compressive strength by varying the ratios of these substances in the mixture.
Bei der Entwicklung der Erfindung wurde ursprünglich ein Bohrloch unter Verwendung eines Zementmaterials des in U.S. Patent 3,499,491 beschriebenen und im Handel unter dem Namen "C-mix" erhältlichen Typs zementiert. Diese Zementzusammensetzung wurde zur Verwendung bei der Umwandlung von Bohrfluiden in Zementaufschlämmungen entwickelt. Erfahrungen mit diesem bestimmten Typ der Zementzubereitung zeigen jedoch, daß das Bohrfluid bei Zusatz des trockenen gemischten Zementmaterials ("C- mix") immer noch abnorm stark geliert. Deshalb wurde beschlossen, bei der Entwicklung dieser Erfindung diese Zementzubereitung unter Zusatz eines Dispergiermittels in Form von SSMA zu testen, wobei ein Lignosulfat- Bohrschlamm auf Wasserbasis mit einer Dichte von etwa 1,47 kg/l (12,3 ppg) verwendet wurde.In developing the invention, a wellbore was originally cemented using a cement material of the type described in U.S. Patent 3,499,491 and commercially available under the name "C-mix". This cement composition was developed for use in converting drilling fluids into cement slurries. However, experience with this particular type of cement composition shows that the drilling fluid still gels abnormally when the dry mixed cement material ("C-mix") is added. Therefore, in developing this invention, it was decided to test this cement composition with the addition of a dispersant in the form of SSMA using a water-based lignosulfate drilling mud having a density of about 1.47 kg/l (12.3 ppg).
Es wurde ein Bohrloch mit einem Gehäuse von 12,7 cm (5,0 inches) Durchmesser zementiert, wobei der Zement ursprünglich auf einer Tiefe von 3048 m (10.000 feet) und bei einer angegebenen Temperatur am Grund des Lochs von 74ºC (166ºF) eingebracht wurde. Eine Charge von 37.680 l (237 barrels) Zementaufschlämmung wurde gemischt und mit einer Pumpgeschwindigkeit von etwa 11 bis 12 l/sec [4,0 bis 4,5 barrels pro Minute (bpm)] mit einem Pumpendruck von unter etwa 3450 kPa (500 psig) eingebracht. Es wurde festgestellt, daß die Zementaufschlämmung immer noch besonders temperaturempfindlich war, was auch durch die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Eindickungszeiten gezeigt wird.A well was cemented with a 12.7 cm (5.0 inch) diameter casing, with the cement initially placed at a depth of 3048 m (10,000 feet) and at a specified bottom hole temperature of 74ºC (166ºF). A batch of 37,680 l (237 barrels) of cement slurry was mixed and introduced at a pumping rate of about 11 to 12 l/sec [4.0 to 4.5 barrels per minute (bpm)] with a pumping pressure of less than about 3450 kPa (500 psig). It was found that the cement slurry was still particularly temperature sensitive, as shown by the thickening times shown in Table I below.
Außer der Formulierung und den Eindickungszeiten zeigt Tabelle I auch die Druckfestigkeit bei Bohrlochtemperaturen und bestimmte rheologische Parameter bei den für das Bohrfluid oder den "Schlamm" allein angegebenen Temperaturen sowie das Schlamm-zu-Zement-Gemisch (MTC) das durch die 0,556 kg/l (195 ppb) "C-mix"-Zementmischung gebildet wurde. Die noch nicht aufbereiteten angegebenen Daten für die verschiedenen Geschwindigkeiten in Umdrehungen pro Minute wurden durch einen Rotationsviskosimeter zur Ermittlung der Scherbelastung und der Schergeschwindigkeit gemäß der API-Spezifikation Nr. 10 erhalten. Die in den nachstehenden Tabellen auf geführten rheologischen Parameter, einschließlich der in Centipoise angegebenen plastischen Viskosität (PV) und der in g/m³ [pounds per 100 square feet (lbs/100 ft.²)] angegebenen Streckungsgrenze wurden mit einem rotierenden Schleifscheibenviskosimeter mit fester Hülse unter Verwendung einer # 1 Feder und einer # 1 Schleifscheibe und Hülse, wie dem von E.G. & G. Chandler Engineering, Tulsa, Oklahoma, hergestellten Typ Chan 35 gemessen. Ohne die durch SSMA bewirkte gesteigerte Dispersion war die 0,556 kg/l (195 ppb) "C-mix"-Aufschlämmung zu zäh für den Meßbereich des Apparats in der vorhandenen Ausrüstung. Das Bohrloch wurde mit einem Chargenverfahren zementiert, das allgemein dem in Fig. 2 der Zeichnungen gezeigten Aufbau entsprach und sich an das allgemeine Verfahren der dort beschriebenen Chargenmischung hielt. Die Formulierungsmengen sind auf der Basis von "original barrels" des Bohrfluids angegeben. Die sich dabei ergebende Dichte bzw. die Enddichte des in eine Zementmischung umgewandelten Bohrfluids betrug etwa 0,0396 kg/l (13,9 ppg). TABELLE I Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Typ I Natriumsilicat R.W.-Ton wasserfreie Soda Eindickungszeiten: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)In addition to the formulation and thickening times, Table I also shows the compressive strength at downhole temperatures and certain rheological parameters at the temperatures specified for the drilling fluid or the "mud" alone, and the mud-to-cement mixture (MTC) formed by the 0.556 kg/L (195 ppb) "C-mix" cement mix. The data shown for the various speeds in revolutions per minute, not yet processed, were obtained by using a rotational viscometer to determine the shear stress and shear rate in accordance with API Specification No. 10. The rheological parameters listed in the tables below, including plastic viscosity (PV) in centipoise and yield strength in pounds per 100 square feet (lbs/100 ft.²) [g/m³], were measured with a fixed sleeve rotating grinding wheel viscometer using a #1 spring and a #1 grinding wheel and sleeve such as the Chan 35 type manufactured by EG & G. Chandler Engineering, Tulsa, Oklahoma. Without the increased dispersion provided by SSMA, the 0.556 kg/L (195 ppb) "C-mix" slurry was too viscous for the measuring range of the apparatus in the existing equipment. The well was cemented using a batch process generally corresponding to the setup shown in Fig. 2 of the drawings and following the general procedure of the batch mix described therein. Formulation amounts are based on "original barrels" of drilling fluid. The resulting density or the final density of the drilling fluid converted into a cement mixture was approximately 0.0396 kg/l (13.9 ppg). TABLE I Formulation: Lignosulfonate sludge Water Portland cement Type I Sodium silicate RW clay Sodium ash anhydrous Thickening times: Compressive strength: Rheological properties: Sludge * YP = yield point
Die Zementzubereitung wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 l/s (4,0 bpm) zwei Stunden lang durch das Bohrloch zirkuliert. Die unteren 305 m (1000 feet) wurden anschließend mit einer herkömmlichen Zement-Waschabgangs-Aufschlämmung zementiert. Obwohl die Zementaufschlämmung [37680 l (237 barrels)] in der Charge gemischt und für den Zeitraum von 36 Stunden nicht in das Bohrloch gepumpt wurde, war das Gemisch immer noch pumpbar, als es nach Abkühlung auf eine Temperatur von etwa 32ºC (90ºF) in das Bohrloch gepumpt wurde.The cement mixture was circulated through the well at a rate of approximately 11 l/s (4.0 bpm) for two hours. The lower 305 m (1000 feet) were then cemented with a conventional cement wash tailings slurry. Although the cement slurry [37680 l (237 barrels)] was mixed in the batch and not pumped into the well for the 36-hour period, the mixture was still pumpable when pumped into the well after cooling to a temperature of approximately 32ºC (90ºF).
Wegen der Temperaturempfindlichkeit des Gemischs, in dem die in Tabelle I angegebene "C-mix"-Aufschlämmung verwendet wurde, und wegen eines sehr kleinen "Mikro"- Rings, der sich an der Schnittstelle Gehäuse-Zement gebildet hatte, wurde die nachstehend beschriebene andere Zementmischung zur Füllung eines Bohrlochraums mit einem nominalen Durchniesser von 21,6 cm (8,50 inches) ab einer Tiefe von 2652 m (8700 feet) entwickelt. Eine Charge von 127190 l (800 barrels) einer Zementaufschlämmung unter Verwendung eines Lignosulfatschlamms, Wasser, SSMA und einem Lignosulfat-Verzögerungsmittel, das unter dem Handelsnamen WR-15 von der Western Company of North America erhältlich ist, wurde mit einem Portland-Zement der Klasse H (API-Quälität) zusammen mit einem Stabilisierungsmittel in Form von Calciumsulfathemihydrat in den nachstehend in Tabelle I angegebenen Mengen vermischt. Die Dichte wurde durch Zugabe einer Menge hohler Puzzolankugeln oder "Cenospheres" gesteuert. Eine verhältnismäßig leichte Zementaufschlämmung mit einer Dichte von 1,35 kg/l (11,3 ppg) wurde gebildet und für geeignet zur Lagerung befunden, da sie bei 88ºC (190ºF) eine angegebene Eindickungszeit von etwa 73 Stunden hatte (angegebene Zeiten basieren auf einem 24-Stunden-Tag) und für geeignet zum Chargenmischen und zur verhältnismäßig langen Lagerung befunden wurde. Die in Tabelle II festgehaltenen rheologischen Eigenschaften dieser Zubereitung stellten eine überraschend leicht zu pumpende Aufschlämmung zur Verfügung, die in einem Chargenverfahren hergestellt wurde und dann in das Bohrloch eingeführt und dort mit einer Geschwindigkeit von 26,5 l/s (10 bpm) einmal durch den vollen Kreislauf geleitet wurde (Rückführung). Während der Rückführung mittels eines System, das dem in Fig. 2 gezeigten ähnelt, wurde die Zementaufschlämmung auf herkömmliche Weise durch den Kreislauf gepumpt, als wäre sie Bohrfluid. TABELLE II Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H "Cenospheres" Calciumsulfat Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)Because of the temperature sensitivity of the mixture using the "C-mix" slurry shown in Table I and because of a very small "micro" ring that had formed at the casing-cement interface, the alternative cement mixture described below was developed to fill a wellbore with a nominal diameter of 21.6 cm (8.50 inches) from a depth of 2652 m (8700 feet). A batch of 127,190 l (800 barrels) of cement slurry using a lignosulfate slurry, water, SSMA and a lignosulfate retarder available under the trade name WR-15 from the Western Company of North America was mixed with a Class H Portland cement (API grade) together with a stabilizing agent in the form of calcium sulfate hemihydrate in the amounts shown in Table I below. The density was controlled by the addition of a quantity of hollow pozzolana balls or "Cenospheres". A relatively light cement slurry having a density of 1.35 kg/l (11.3 ppg) was formed and found suitable for storage since it had a stated thickening time of about 73 hours at 88ºC (190ºF) (stated times based on a 24 hour day) and was found suitable for batch mixing and relatively long term storage. The rheological properties of this formulation, as recorded in Table II, provided a surprisingly easy-to-pump slurry which was prepared in a batch process and then introduced into the wellbore and passed through the full circuit (recirculation) once at a rate of 26.5 l/s (10 bpm). During recirculation using a system similar to that shown in Fig. 2, the cement slurry was pumped through the circuit in the conventional manner as if it were drilling fluid. TABLE II Formulation: Lignosulfonate slurry Water Portland cement Class H "Cenospheres" Calcium sulfate Thickening time: Compressive strength: Rheological properties: Sludge * YP = yield point
Tabelle III zeigt die Bildung einer Zementaufschlämmung unter Verwendung umgewandelten Bohrfluids in Form eines Lignosulfatschlamms, welcher mit einem herkömmlichen ununterbrochenen Mischverfahren und einem Apparat ähnlich wie in Fig. 2 gezeigt vermischt wurde. Ein Bohrloch niit einem nominalen Durchmesser von 21,6 cm (8,50 inches) wurde mit einer Mischung der in Tabelle III angegebenen Formulierung zementiert, wobei insgesamt 143088 l (900 barrels) Zementaufschlämmung vermischt werden und das Bohrfluid im Bohrloch vollständig ersetzen und wobei die Mischung mit einer Geschwindigkeit von 21,2 bis 22,5 l/s (8,0 bis 8,5 bpm) durch zwei volle Kreisläufe geleitet wird. TABELLE III Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H 100 mesh Silikasand Calciumsulfat Eindickungszeit: bei 89ºC (192ºF): bei Ziehen nach zwei Tagen immer noch im Fließzustand Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)Table III shows the formation of a cement slurry using converted drilling fluid in the form of a lignosulfate mud mixed with a conventional continuous mixing process and apparatus similar to that shown in Fig. 2. A borehole of nominal diameter 21.6 cm (8.50 inches) was cemented with a mixture of the formulation shown in Table III, with a total of 143088 l (900 barrels) of cement slurry being mixed and completely replacing the drilling fluid in the borehole and with the mixture being passed through two full circuits at a rate of 21.2 to 22.5 l/s (8.0 to 8.5 bpm). TABLE III Formulation: Lignosulfonate slurry Water Portland cement Class H 100 mesh Silica sand Calcium sulfate Thickening time: at 89ºC (192ºF): still in the flow state when pulled after two days Compressive strength: Rheological properties: Sludge * YP = yield point
Tabelle IV liefert die Daten bezüglich einer ununterbrochen gemischten Zementaufschlämmung, die in einer Tiefe von 3,109 (10.220 feet) eingebracht wurde, um das Bohrloch und zwei sich in einem offenen Loch befindliche Rohrstücke von 7,30 cm (2,875 inch) Durchmesser zu zementieren. Die in Tabelle IV gezeigte Formulierung ergab eine Zementaufschlämmung mit einer Dichte von 1,89 kg/l (15,8 ppg); außerdem wurde in der Formulierung eine im Handel von der Western Company of North America unter dem Warenzeichen WR-6 vertriebene Verzögerungszubereitung verwendet. Bohrfluid wurde vollständig aus dem Bohrloch verdrängt, und das in eine Zementaufschlämmung umgewandelte Bohrfluid wurde durch weitere 50 % des entleerten Bohrlochraums geleitet.Table IV provides the data on a continuously mixed cement slurry placed at a depth of 10,220 feet (3,109 m) to cement the wellbore and two 2.875 inch (7.30 cm) diameter pipe sections in open hole. The formulation shown in Table IV produced a cement slurry with a density of 15.8 ppg (1.89 kg/l) and also used a retarder formulation sold commercially by Western Company of North America under the trademark WR-6 in the formulation. Drilling fluid was completely displaced from the wellbore and the drilling fluid converted to cement slurry was passed through an additional 50% of the drained wellbore space.
Die Zirkulationsgeschwindigkeit betrug etwa 12 l/s [4,5 barrels per minute (bpm)]. TABELLE IV Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H 100 mesh Silicasand Calciumsulfat Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze) The circulation rate was about 12 l/s [4.5 barrels per minute (bpm)]. TABLE IV Formulation: Lignosulfonate slurry Water Portland cement Class H 100 mesh Silica sand Calcium sulfate Thickening time: Compressive strength: Rheological properties: Sludge * YP = yield point
Tabelle V liefert weitere Daten für eine aus einem Lignofsulfatbohrfluid umgewandelte Zementaufschlämmung mit einer Dichte von 1,86 kg/l (15,5 ppg), die auf der Grundlage ununterbrochenen Mischens hergestellt wurde unter Verwendung eines Systems ähnlich wie dem in Fig. 2, wobei [das Bohrfluid] vollständig ersetzt und die Zementaufschlämmung einmal durch den ganzen Kreislauf geleitet wurde. TABELLE V Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H 100 mesh Silikasand Calciumsulfat Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)Table V provides further data for a cement slurry converted from a lignosulphate drilling fluid having a density of 1.86 kg/l (15.5 ppg) prepared on a continuous mixing basis using a system similar to that in Figure 2, whereby [the drilling fluid] was completely replaced and the cement slurry was passed through the entire circuit once. TABLE V Formulation: Lignosulfonate slurry Water Portland cement Class H 100 mesh Silica sand Calcium sulfate Thickening time: Compressive strength: Rheological properties: Sludge * YP = yield point
Die API-Fluidverlustgeschwindigkeit (Spezifikation 10) bei 88ºC (190ºF) und einem Druckdifferential von 6900 kPa (1000 psi) betrug 56 cm³/30 min. durch ein Gitter mit 325 mesh.The API fluid loss rate (Specification 10) at 88ºC (190ºF) and a pressure differential of 6900 kPa (1000 psi) was 56 cc/30 min. through a 325 mesh screen.
Die Tabellen VI, VII und VIII zeigen jeweils die Ergebnisse der Labortests an unter Verwendung von SSMA als Dispergiermittel in Zementzubereitungen (MTC) umgewandelten Bohrfluiden. In den in Tabelle VI gezeigten Labortests wurde Salzwasserbohrfluid oder -schlamm verwendet. Die Dichte des Salzschlamms war hauptsächlich auf die Salzhaltigkeit des Wassers in der zur Herstellung einer 1,53 kg/l (12,8 ppg) Zementzubereitung verwendeten Fluidprobe zurückzuführen.Tables VI, VII and VIII show the results of laboratory tests on drilling fluids converted to cement preparations (MTC) using SSMA as a dispersant. In the laboratory tests shown in Table VI, salt water drilling fluid or mud was used. The density of the salt mud was primarily due to the salinity of the water in the fluid sample used to prepare a 1.53 kg/L (12.8 ppg) cement preparation.
In den in den nachstehenden Tabellen gezeigten Beispielen konnte die Menge des Dispergiermittels zumindest in einigen Fällen gesteigert werden, um niedrigere Viskositäten zur Verfügung zu stellen. Die aufgeführten Mengen wurden unter Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit und der Eindickungszeit der Aufschlämmung festgelegt. Darüber hinaus lag auch die Fluidverlustgeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Zementaufschlämmungen im Vergleich mit herkömmlichen Zementaufschlämmungen in einem gewünschten Bereich. TABELLE VI Formulierung: Salzschlamm Wasser Calciumsulfat Zement Typ I Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: * YP = yield point (Streckungsgrenze)In the examples shown in the tables below, the amount of dispersant could be increased in at least some cases to provide lower viscosities. The amounts listed were determined with regard to economics and the thickening time of the slurry. In addition, the fluid loss rate of the cement slurries according to the invention was also lower than conventional cement slurries in a desired area. TABLE VI Formulation: Salt Sludge Water Calcium Sulphate Cement Type I Thickening Time: Compressive Strength: Rheological properties: * YP = yield point
Tabelle VII zeigt die Entwicklung der Zementfestigkeit mit verschiedenen Zementmengen und die Wirksamkeit eines Verzögerungsmittels (WR-15). Eine Zementzubereitung mit einer Dichte von 1,58 kg/l (13,2 ppg) wurde formuliert. TABELLE VII Formulierung: Lignosulfatschlamm Wasser Calciumsulfat Portland-Zement Klasse H Silica Sand Eindickungszeiten: Ohne VerzögerungsmittelTable VII shows the development of cement strength with different cement loadings and the effectiveness of a retarder (WR-15). A cement preparation with a density of 1.58 kg/l (13.2 ppg) was formulated. TABLE VII Formulation: Lignosulphate sludge Water Calcium sulphate Portland cement Class H Silica sand Thickening times: Without retarder
Die Druckfestigkeit (compressive strength = CS) wurde mit der vorstehenden Formulierung und mit Sand als einer Konstante von 35 Gew.-% des Zements wie unten angegeben für verschiedene Zementmengen ermittelt: Mischung Zement Sand Dichte TageThe compressive strength (CS) was determined using the above formulation and with sand as a constant of 35 wt% of the cement as given below for different cement quantities: Mixture Cement Sand Density Days
Die API-Fluidverlustgeschwindigkeit bei 88ºC (190ºF) und eineni Druckdifferential von 6900 kPa (1000 psi) betrug 112 cm³/30 min. durch ein Gitter von 325 mesh.The API fluid loss rate at 88ºC (190ºF) and a pressure differential of 6900 kPa (1000 psi) was 112 cc/30 min. through a 325 mesh screen.
Tabelle VIII liefert die Formulierungsdaten, die Eindickungszeit und die Druckfestigkeit eines in Zement mit einer Dichte von 1,90 kg/l (15,9 ppg) umgewandelten Lignosulfatschlamms und zeigt, daß die Stabilität der Zementaufschlämmung nach etwa zwei Monaten bei sehr hohen Temperaturen recht gut war. Im Labor getestete Würfel wiesen keine Risse oder andere Zeichen der Zersetzung auf, nachdem sie einer Aushärtungstemperatur von 300ºF ausgesetzt gewesen waren. TABELLE VIII Formulierung: Lignosulfatschlamm Wasser Kerosin Portland-Zement Klasse H Silikasand Calciumsulfat Eindickungszeit bei 121ºC (250ºF): Druckfestigkeit:Table VIII provides the formulation data, thickening time and compressive strength of a lignosulfate slurry converted to cement with a density of 1.90 kg/l (15.9 ppg) and shows that the stability of the cement slurry was quite good after about two months at very high temperatures. Laboratory tested cubes showed no cracks or other signs of degradation after exposure to a curing temperature of 300ºF. TABLE VIII Formulation: Lignosulfate slurry Water Kerosene Portland cement Class H Silica sand Calcium sulfate Thickening time at 121ºC (250ºF): Compressive strength:
Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß eine verbesserte Zementzusammensetzung und ein verbessertes Verfahren zum Zementieren von Öl- und Gasbohrlöchern sowie ähnlicher unterirdischer Hohl- oder Leerräume, in denen das Bohrfluid verdrängt und durch ein Zementmaterial mit der erforderlichen Festigkeit ersetzt werden muß, zur Verfügung gestellt wird. Die Zementaufschlämmung kann auch durch den Kreislauf geführt werden, um sicherzustellen, daß das Bohrfluid vollständig durch ein Material ersetzt wurde, das sich verfestigen wird, uni die erforderliche Druckfestigkeit zu ergeben.The foregoing examples demonstrate that an improved cement composition and method is provided for cementing oil and gas wells and similar subterranean cavities or voids where the drilling fluid must be displaced and replaced by a cement material having the required strength. The cement slurry may also be recycled to ensure that the drilling fluid has been completely replaced by a material that will solidify to provide the required compressive strength.
Wie bereits erwähnt, ergaben Tests mit Bohrschlämmen auf Wasserbasis, die unter Verwendung von Zement der Klasse A im Verhältnis von 113,5 kg (250 lbs) Zement pro "barrel" Originalbohrfluid und unter Zusatz eines SSMA im Bereich von 0,0143 bis 0,0171 kg/l (5,0 ppb bis 6,0 ppb) enthaltenden Dispergiermittels in Zement umgewandelt wurden, daß eine Grenze bei der Viskositätsverringerung und den die Flockenbildung hemmenden Eigenschaften existiert. Tests mit dem gleichen Schlamm, der unter Zusatz von Citronensäure als Dispergiermittel in eine Zementzubereitung umgewandelt wurde, ergaben ebenfalls einige Eigenschaften zur Hemmung der Flockenbildung und zur Verringerung der Viskosität. Allerdings führte die Zugabe von Citronensäure und SSMA in Mengen von etwa 0,0114 kg/l (4,0 ppb) SSMA und 0,00285 bis 0,0057 kg/l (1,0 bis 2,0 ppb) Citronensäure zu überlegenen Eigenschaften in bezug auf die Hemmung der Flockenbildung und die Verringerung der Viskosität, was auf die synergistische Wirkung eines Dispergiermittels hindeutet, das eine Kombination von Citronensäure und SSMA verwendet. Es ist zu erwarten, daß Natriumcitrat, Gluco-delta-Lacton, Weinsäure und Erythrobsäure ähnliche Resultate ergeben würden. Die Tabelle IX zeigt rheologische Daten für Gemische, in denen ausgewählte Dispergiermittel verwendet werden und die die angegebenen Dispergiermittel und Zementzubereitungen enthalten. Die Formulierungen basieren auf einem Polymerbohrschlamm mit einer Dichte von 1,12 kg/l (9,35 ppg) und einer Temperatur von 27ºC (80ºF). TABELLE IX Formulierung Zement Klasse H Citronensäure Zement Klasse G *YP = yield point (Streckungsgrenze)As mentioned above, tests with water-based drilling muds using cement of class A at a ratio of 113.5 kg (250 lbs) of cement per barrel of original drilling fluid and with the addition of a dispersant containing SSMA in the range of 0.0143 to 0.0171 kg/L (5.0 ppb to 6.0 ppb), there is a limit to the viscosity reduction and antiflocculation properties. Tests with the same mud converted to a cement formulation with the addition of citric acid as a dispersant also showed some antiflocculation and viscosity reduction properties. However, the addition of citric acid and SSMA at levels of approximately 0.0114 kg/L (4.0 ppb) SSMA and 0.00285 to 0.0057 kg/L (1.0 to 2.0 ppb) citric acid resulted in superior flocculation inhibition and viscosity reduction properties, indicating the synergistic effect of a dispersant using a combination of citric acid and SSMA. It is expected that sodium citrate, gluco-delta-lactone, tartaric acid and erythrobic acid would give similar results. Table IX shows rheological data for mixtures using selected dispersants and containing the indicated dispersants and cement formulations. The formulations are based on a polymer drilling mud with a density of 1.12 kg/l (9.35 ppg) and a temperature of 27ºC (80ºF). TABLE IX Formulation Cement Class H Citric Acid Cement Class G *YP = yield point
Die Zubereitungen 3) und 5) wiesen hohe Gelierungseigenschaften auf, während sich die Zubereitungen 4) und 6) bis 8) gut vermischten.Preparations 3) and 5) showed high gelling properties, while preparations 4) and 6) to 8) mixed well.
Tabelle X liefert Daten für Zementzubereitungen, in denen der gleiche Schlamm wie für das Beispiel von Tabelle IX verwendet wurde, die jedoch gleichzeitig die Vorteile der Anwendung eines teilweise hydrolysierten Polyacrylamidverdünners (Thin-X Verdünner erhältlich von Magcobar-IMCO, Houston, Texas) in Kombination mit der SSMA aufweisen. TABELLE X Formulierung Zement Klasse H Wasser Thin-XTable X provides data for cement preparations using the same slurry as for the example in Table IX, but which also benefit from the use of a partially hydrolyzed polyacrylamide thinner (Thin-X Thinner available from Magcobar-IMCO, Houston, Texas) in combination with the SSMA. TABLE X Formulation Cement Class H Water Thin-X
Die Zubereitungen in den Beispielen 1) und 3) vermischten sich gut, die von Beispiel 2) jedoch nicht.The preparations in Examples 1) and 3) mixed well, but those in Example 2) did not.
Aus den vorstehenden Erläuterungen kann man entnehmen, daß eine verbesserte Zubereitung und ein verbessertes Verfahren zum Zementieren von Bohrlöchern entwickelt worden ist, bei dem ein Bohrfluid oder "Bohrschlamm" in eine Zementzubereitung umgewandelt wird, indem man diesem Bohrfluid ein oder mehrere Zementmaterialien und ein Dispergiermittel zusetzt und das zu einer Zementzubereitung umzuwandelnde Fluid wieder durch das Bohrloch leitet, um das Bohrfluid vollständig zu verdrängen oder in ein Zementmaterial umzuwandeln, welches fest wird und ein geeignetes Mittel zur Versiegelung des Bohrlochs um ein Gehäuse oder eine andere Rohrstruktur darstellt.From the foregoing, it can be seen that an improved composition and method for cementing wells has been developed which comprises converting a drilling fluid or "drilling mud" into a cement composition by adding to said drilling fluid one or more cementing materials and a dispersant and passing the fluid to be converted into a cement composition back through the well to completely displace the drilling fluid or convert it into a cementing material which solidifies and provides a suitable means for sealing the well around a casing or other tubular structure.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Herstellung der Zementzubereitung in einem Chargenverfahren, bis das gesamte für den Zementiervorgang oder für die Entsorgung des Fluids erforderliche Fluid umgewandelt ist. Alternativ können die dem Bohrfluid zur Umwandlung in Zement zugesetzten Materialien auch ununterbrochen zugesetzt werden, und zwar während der Bohrfluidstrom im Kreislauf vom oder zum Bohrloch geführt wird. Das Verfahren der Rückführung des zu Zement umgewandelten Fluids in einem Volumenbereich von 10 bis 1000 % des Verdrängungsvolumens des Bohrlochraums stellt weitgehend sicher, daß das gesamte Bohrfluid aus dem Bohrloch entfernt worden ist und daß "washouts", Hohlräume oder andere Makel im Zementmantel oder im Ring minimiert werden.A preferred embodiment of the invention involves preparing the cement composition in a batch process until all of the fluid required for the cementing operation or for disposal of the fluid has been converted. Alternatively, the materials added to the drilling fluid for conversion to cement may be added continuously while the drilling fluid stream is being circulated from or to the wellbore. The process of recycling the cemented fluid in a volume range of 10 to 1000% of the displacement volume of the wellbore cavity substantially ensures that all of the drilling fluid has been removed from the wellbore and that washouts, voids or other imperfections in the cement mantle or annulus are minimized.
Eine wünschenswerte erfindungsgemäße Zementzubereitung gestattet die vollständige Zirkulation des Fluids aus dem Bohrloch und das Ersetzen mit der eigentlichen Zementzubereitung. Da dieser Kreislauf normalerweise zwei, aber möglicherweise bis zu zehn, vollständige Verdrängungen des Systemvolumens, das das Bohrloch, die Mischtanks oder -gruben und sämtliche Verbindungsleitungen einschließt, umfaßt, ist es wünschenswert, daß die Zubereitung nicht vor Abschluß des Kreislaufs anfängt, fest zu werden oder einzudicken. In dieser Hinsicht ist man zu dem Schluß gekommen, ein oder mehrere Zementmaterialien mit oder ohne Verzögerungsmittel zu verwenden, um die Hydratationsgeschwindigkeit oder den Beginn des Eindickens zu steuern, vor dem eine unbedeutende Veränderung in den rheologischen Eigenschaften der Zubereitung beim Mischen und beim Zirkulieren eintritt. Darüber hinaus liegen die Fluidverlusteigenschaften in einem erwünschten, dem Basisbohrfluid ähnlichen Bereich.A desirable cement composition according to the invention allows for complete circulation of the fluid from the well and replacement with the actual cement composition. Since this circulation normally involves two, but possibly up to ten, complete displacements of the system volume, which includes the well, the mixing tanks or pits and all connecting lines, it is desirable that the preparation does not begin to set or thicken before the cycle is complete. In this regard, it has been concluded that one or more cement materials with or without retarders should be used to control the rate of hydration or the onset of thickening before which an insignificant change in the rheological properties of the preparation occurs during mixing and circulation. In addition, the fluid loss properties are in a desirable range similar to the base drilling fluid.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hier recht ausführlich beschrieben sind, können verschiedene Ergänzungen oder Veränderungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.Although preferred embodiments of the invention have been described in some detail herein, various additions or changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
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